Author Affiliations
Abstract
1 College of Aerospace Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
2 College of Advanced Interdisciplinary Studies, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
The infrared imaging windows of the hyper/supersonic optical dome are encountering severe aero-optical effects (AOEs), so a flow control device, the ramp vortex generator array (RVGA) is proposed based on the ramp vortex generator to inhibit the supersonic mixing layers’ AOE, which is done by the nanotracer-based planar laser scattering technique and ray-tracing method. The experiments prove that under different pressure conditions, RVGA can reduce the mean and standard deviation of the root mean square of the optical path difference () and reduce the supersonic mixing layers’ thickness and mixture a great deal. The AOE of the pressure-matched mixing layer is the weakest. Higher RVGA results in better optical performance. RVGA has the potential to be applied to supersonic film cooling to reduce aero-optical aberrations.
aero-optical effects supersonic mixing layer RVGA OPDrms flow control Chinese Optics Letters
2023, 21(3): 030102
国防科技大学空天科学学院, 湖南 长沙 410073
针对射流折射率场的非均匀分布会导致成像质量降低的问题,在真空实验舱内研究了不同总压条件下超声速半自由射流的光程差(OPD)分布。实验中三种光路的主光轴与流动方向夹角分别为81°、90°及99°。实验结果表明:总压越大,射流的OPD越大;相同总压条件下,81°光路的光程差大于99°光路和90°光路。推导了OPD沿流向分布的经验公式,并在此基础上分析了两种理论模型在该射流流场下的适用性。
大气光学 超声速 半自由射流 光程差 观测角
国防科技大学 空天科学学院, 湖南 长沙 410073
飞行器在大气层中高速飞行时, 气动加热, 光学窗口与外部气流相互作用形成了复杂的流场结构。其折射率分布无规则、不均匀, 很难准确得到光线的传播路径。为此, 提出三种四阶精度方法的光线追迹方案, 通过与螺旋光线解析解结果进行对比, 发现四阶Runge-Kutta方法光线追迹过程中最大相对误差为1.6×10-8, Richardson外推法为1.2×10-8, Adams线性多步法为1.2×10-11, 确定Adams线性多步法是可用于光线追迹的高精度、高速的方法。基于多项式拟合的任意点插值方法可以获得比距离反比法更高的折射率场插值精度。并将该方法运用在导弹的光学窗口附近流场引起的波前畸变的计算, 对计算结果进行了对比, 结果表明Adams线性多步法以Runge-Kutta方法起步, 但Admas方法没有忽略前一步的计算结果, 不会带来误差的累积, 所以结果更接近真实解, 而Richardson外推方法算出的光程差大小与其他两种方法明显不同。
非均匀介质 折射率 高精度 光线追迹 inhomogeneous medium refractive index high precision ray tracing 红外与激光工程
2019, 48(5): 0503005
国防科学技术大学 航天科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
高速成像制导导弹在大气中飞行时, 受到气动光学效应的影响, 目标成像位置与其实际位置之间出现偏差。实现对气动光学效应成像偏移校正, 对于提高制导精度意义重大。气动光学效应成像偏移具有很强的随机性和非线性, 校正起来十分困难。通过利用背景纹影技术测量光线穿过变折射率场后的光线偏移量, 建立畸变图像与参考图像之间的控制点对, 采用局部加权平均拟合方法构建用于图像校正的映射函数, 利用双三次卷积方法对图像灰度值进行重采样处理, 完成对畸变图像的校正。分别对固定相位物(透镜)和喷流马赫数3.0的超声速气膜引起的成像偏移进行校正, 实验结果验证了校正方法的有效性。
成像偏移校正 气动光学 背景纹影 本征正交分解 互相关 imaging deviation correction aero-optic proper orthogonal decomposition(BOS) POD cross-correlation 红外与激光工程
2018, 47(4): 0418003
国防科学技术大学 航天科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
受到风洞实验能力的限制, 高速飞行器气动光学效应实验很难与其实际飞行情况完全一致。雷诺数作为重要的相似准则数, 在经典流体力学风洞实验中应用广泛, 研究其对于气动光学效应的影响, 对于建立气动光学相似准则具有重要意义。基于∏定理对可能影响气动光学效应的变量进行分析, 证明了雷诺数是影响气动光学效应的一个相似准则数; 通过创新性设计变雷诺数实验装置, 可以实现喷流单位雷诺数在106~108 m-1范围内变化。通过选取八个典型的雷诺数, 并利用BOS-WS(BOS-based Wavefront Sensor)技术测量了对应状态的光程差, 通过函数拟合的方法得到了光程差的均方根值与雷诺数之间的幂函数关系式。通过对不同孔径下的测量结果进行对比和归一化处理可以发现, 对于二维超声速气膜而言, 观察孔径尺寸并不会对获取的规律产生影响。
气动光学 雷诺数 超声速气膜 相似准则 光程差 aero-optics Reynolds number supersonic film similarity standard optical path difference 红外与激光工程
2017, 46(2): 0211002
国防科学技术大学 航天科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
当光线穿过超声速湍流边界层时受到湍流密度脉动的影响, 其传播方向和相位会发生变化, 使得目标图像出现模糊、偏移和抖动等现象, 给目标识别带来困难。利用基于背景导向纹影(Background Oriented Schlieren, BOS)原理开发的基于BOS的波前传感(BOS-based Wavefront Sensor, BOS-WS)技术获得了光波通过马赫数Ma=3.0的超声速湍流边界层后的波前。基于波动光学原理计算出相应的点扩散函数(Point Spread Function, PSF)分布以及退化图像, 研究结果表明: 测量得到的波前结果对应的PSF与理想平面波前对应的PSF相比, 在峰值的大小、所在位置及形态上变化较大, PSF峰值出现衰减, PSF峰值位置出现较为明显的偏移, PSF形态出现多峰现象, 湍流边界层内密度分布较强的空间随机性得到体现, 经此PSF处理后的图像出现一定程度的退化。
气动光学 背景纹影 点扩散函数 湍流边界层 aero-optical BOS PSF turbulent boundary layer 红外与激光工程
2016, 45(10): 1018007
